DE202007004181U1

DE202007004181U1 - Generatorzelle und elektrochemischer Generator mit der Generatorzelle

Info

Publication number: DE202007004181U1
Application number: DE202007004181U
Authority: DE
Original assignee: BIOSTEL SCHWEIZ AG
Current assignee: Van Den Heuvel Watertechnologie Bv Nl
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: WO2008061546A1

Abstract

Elektrodiaphragmalysezelle (1) mit einem Innenraum (10) und mit einer semipermeablen Membrane (11), die den Innenraum (10) in eine erste Kammer (10') und eine zweite Kammer (10'') teilt, sowie mit einer Kathode (12) in der ersten Kammer (10') und einer Anode (13) in der zweiten Kammer (10'') und mit einem elektrischen Anschluss (12'; 13') an jeder Elektrode (12; 13), wobei die beiden Kammern (10', 10'') je eine Eintrittsöffnung (20, 30) für das leicht salzhaltige und kalkfreie Wasser und eine Austrittsöffnung (14; 14') für die Säure, bzw. die Lauge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (12) und/oder die Anode (13) aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder Reintitan gefertigt sind und die Anode (13) säurebeständig beschichtet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodiaphragmalysezelle (EDPZ) nach dem Oberbegriff des unabhängigen Schutzanspruchs 1 sowie auf einen elektrohydraulischen Generator mit einer oder mehreren derartigen Elektrodiaphragmalysezelle.
Derartige Elektrodiaphragmalysezellen werden beispielsweise verwendet, um mit elektrochemischen Prozessen in Lösungen von Salzen das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Die dabei erzeugten Ionen werden im elektrischen Feld getrennt und bilden mit Ionen des Salzes oder der Salze Säure und Lauge. Die so erzeugten Laugen und Säuren werden beispielsweise als Desinfektionsmittel verwendet.
Die Elektrodiaphragmalysezelle und insbesondere deren Elektroden, die Anode und die Kathode, sind aggressiven Substanzen ausgesetzt, was früher deren Haltbarkeit und Lebensdauer verschlechterte. Bisherige Elektroden wiesen oft eine unzureichende Haltbarkeit und Lebensdauer auf.
Aufgrund entsprechender Materialwahl kann nun die Lebensdauer wesentlich verlängert werden.
Hier bringt die neue Elektrodiaphragmalysezelle wesentliche Verbesserungen. Erfindungsgemäss weist die Elektrodiaphragmalysezelle die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Schutzanspruchs 1 auf. Die abhängigen Schutzansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Elektrodiaphragmalysezelle nach der Erfindung erreicht unter gleichen Bedingungen eine vielfach längere Lebensdauer bei gleicher Produktionsleistung, was die Betriebskosten des Generators wesentlich reduziert. Das neue Elektrodenmaterial und insbesondere die Beschichtung der Elektroden verlängern die Lebensdauer der Elektrodiaphragmalysezelle ganz wesentlich. Der elektrohydraulische Generator weist eine oder mehrere ElektrodiaphragmalysezelleN nach der Erfindung auf.
Der Innenraum der Elektrodiaphragmalysezelle wird durch die semipermeable (halbdurchlässige) Membrane in zwei gleich grosse Kammern getrennt. In jeder der beiden Kammern ist eine Elektrode, d.h. eine Anode, bzw. eine Kathode vorhanden. An die beiden Elektroden wird eine Gleichstromspannung angelegt. Der Elektrolysestrom wird beispielsweise bei einer Spannung von 24 Volt DC(Gleichstrom) im Bereich von 0 bis 20 Ampere (typisch 14 A) gewählt und eingestellt. Den beiden Kammern wird NaCl-Lösung, so genannte Kochsalzsole mit kalkfreiem (enthärtetem) Wasser zugeführt.
Unter dem Einfluss der an den beiden Elektroden angelegten elektrischen Spannung bildet sich in der Kammer mit der Anode eine Lösung, in der neben anderen die Verbindungen und Ionen H₂O, Cl₂, HClO, HO₂, ClO, O₃H, HO₂ vorhanden sind. In der Kammer mit der Kathode bildet sich eine Lösung, in der neben anderen die Verbindungen und Ionen H₂O, NaOH, H(X), H₂(X), OH'' vorhanden sind.
Die mit einem elektrohydraulischen Generator mit Elektrodiaphragmalysezelle erzeugten Produkte werden je nach Anwendung verdünnt und/oder gemischt. Wichtige Anwendungen sind reinigen und keimfrei machen.
Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnungen, die ein Beispiel der Elektrodiaphragmalysezelle und Teile davon zeigen, näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine parallel-perspektivische Ansicht einer Elektrodiaphragmalysezelle mit einer teilweise gebrochenen, gezeichneten oberen Halbschale;
2 die teilweise Seitenansicht der Elektrodiaphragmalysezelle von 1 in einem Schnitt, der wiederum teilweise vergrössert ist.
3 schematisch den Ablauf einer herkömmlichen Elektrolyse
4 schematisch den Ablauf der Elekto-Ionisierungs-Elektrolyse wie sie beispielsweise im Biostel^®-Verfahren realisiert ist.
Die in 1 gezeigte Elektrodiaphragmalysezelle 1 besteht im Wesentlichen aus den beiden Gehäuseschalen 2 und 3, die miteinander verschraubt sind. Die Halbschalen 2 und 3 des Gehäuses sind beispielsweise aus einem Kunststoff wie PVC gefertigt. Die beiden Gehäuseschalen 2 und 3 bilden in ihrem Inneren einen Hohlraum, den Innenraum 10. Der Innenraum 10 ist mit der semipermeablen Membrane 11 in zwei Teilräume oder Kammern 10' und 10'' geteilt. In jedem der Teilräume oder Kammern 10' und 10'' ist eine Elektrode 12, bzw. 13 angeordnet. Die Elektroden 12 und 13 sind elektrisch leitende Werkstoffe, wobei die Anode gegen die chemisch aggressive Säure speziell beschichtet ist. Die beiden Elektroden 12 und 13 sind nach aussen geführt. Die nach aussen geführten Anschlüsse 12' und 13' werden an eine Gleichspannung von 24 Volt angeschlossen. Die Stromstärke für die Elektrodiaphragmalyse liegt in der Regel im Bereich von 10 bis 20 Ampere, typisch bei etwa 14 Ampere.
In die beiden Teilräume bzw. Kammern 10' und 10'' wird durch die Bohrungen 14, 14' leicht salzhaltiges kalkfreies Wasser zugeführt. Die Zufuhr erfolgt kontinuierlich in gleichen Mengen für beide Kammern 10', 10''. Durch Elektrolyse wird in der Kammer mit der Anode 13 eine Säure, in der Kammer mit der Kathode 12 eine Lauge gebildet. Säure und Lauge, die Produkte, die in der Elektrodiaphragmalysezelle des elektrohydraulischen Generators erzeugt werden, fliessen durch je eine Bohrung 14, bzw. 14' durch Leitungen (nicht gezeigt) zu Behältern (nicht gezeigt).
In der in 2 gezeigten schematischen Seitenansicht der Generatorzelle 1 von 1 sind im unteren Teil Einzelheiten des Elektrodenpakets mit der semipermeablen Membran 11 in einer Art Explosionszeichnung dargestellt. Zwischen den beiden Elektroden 12 und 13 und der dazwischen liegenden Membran 11 ist je eine Distanzhalter 15 angeordnet, der gleichzeitig Dichtung ist. zwischen dem Distanzhalter 15 und der Elektrode 13 (Anode) ist zusätzlich noch eine Schutzfolie 16 aus z.B. Polyethylen angeordnete, welche die den nichtaktiven Bereich der Anode 13 abdeckt und gegen die besonders aggressive Säure schützt.
In 2 sind die Bohrungen 20 und 30 für das Zuführen von Salzlösungen (Pfeile) zum Teilraum mit der Kathode 12 bzw. demjenigen mit der Anode 13 gezeigt. Auch die Bohrungen 14 und 14', durch welche die Produkte des elektrochemischen Generators aus der Generatorzelle 1 ausfliessen (Pfeile) sind in 2 gezeigt. In der Leitung, aus der Kammer mit der Anode 13 ist im gezeigten Beispiel ein Einwegventil 17 eingebaut. Das Einwegventil 17 kann ein Rückschlagventil sein, das sich erst bei einem bestimmten Druck öffnet. Dies führt in der Kammer mit der Anode 13 zu einem höheren Druck als in der Kammer mit der Kathode 12. Die Membran 11 wird dadurch zur Kathode 12 hin gewölbt. Durch diese Massnahme ergeben sich optimale pH- und Redoxwerte für Säure und Lauge Die Funktionsweise eines elektrochemischen Generators wird in den nachfolgenden 20 Punkten für einen Biostel^®-Generators der Firma Biostel Schweiz AG erklärt.
Der Generator ist eine in sich selbständig produzierende und überwachte Anlage, die vollautomatisch arbeitet und ausser sporadisch vorgeschriebenen Kontrollen und manuellem Salznachfüllen keine weiteren Manipulationen erfordert. Wichtige Voraussetzungen für eine optimale Funktion sind ein staubfreier und gut belüfteter Standort sowie eine Temperatur von nicht weniger als +5° Celsius.

1. Speisung der Anlage durch das Frischwassernetz mittels konstantem Mindestdruck von 4 bar und Anschluss AG/G ¾ Inch für den mitgelieferten Verbindungsschlauch IG/G ¾ Inch.
2. Reduzierung auf 4 bar Betriebsdruck über anlageninternen Druckregler und Manometer bei höherem Vordruck vom Netz.
3. Auffangen von Schmutzpartikeln im Wasser, die grösser als 100 μ sind mit einem überdimensionierten Kerzenfilter.
4. Wasserbedarf in Produktion 80 Lt./h (Duplex-Anlage 160 Lt./h), bei Enthärtung während mehrerer Minuten etwas mehr.
5. Direkte Speisung des Enthärtungsautomaten vom Filter mit Frischwasser.
6. Der Enthärter arbeitet vollautomatisch nach 1'000 Litern Verbrauch unterbricht er die Produktion und regeneriert sich selbständig auf 0° DH. Er steht im rechten Wannenteil mit gesättigter Salzlösung für die Regeneration. Verunreinigtes Wasser und Spülwasser wird direkt in den Abfluss abgeleitet. Das für die nächste Regenerierung notwendige Wasser wird über ein Schwimmerventil automatisch nachgefüllt. Unabhängig von der Produktionsmenge erfolgt jeden vierten Tag eine Zwangsregeneration.
7. Parallel zum Regenerieren (Dauer ca. 45 Min.) wird die automatische Reinigung der Elektrolysezelle aktiviert. Aus einem neben der Anlage stehenden Behälter wird mit einer in der Anlage integrierten Pumpe Flüssigentkalker angesaugt. Dieser fliesst durch die Zelle und im Kreislauf zurück in den Behälter (Haltbarkeit des Entkalkungsmittels ca. drei Monate). Ist die Regenerierung beendet, stellt die Entkalkerpumpe ab, und die Anlage beginnt automatisch wieder zu produzieren.
8. Für die Zufuhr des enthärteten Wassers in den Prozess in der Anlage wird eine Magnetfeld geöffnet.
9. Im linken Wannenteil befindet sich die für den Prozess benötigte gesättigte Sole. Eine Unterwasserpumpe sorgt für die permanente Umwälzung der Sole. Entnommene Sole wird über einen Schwimmerschalter und ein Bypass-Magnetventil automatisch mit Frischwasser ersetzt und umgewälzt.
10. Nach dem Zentral-Magnetventil wird die Durchflussmenge (ca. 40 Liter Anostel^® und 40 Liter Cathostel^® über ein manuelles Nadelventil feinjustiert.
11. Nach dem Nadelventil in der Steigleitung wird die von der Elektronik vorgegebene Menge Sole mit einer Pumpe abgesaugt und in die Leitung eingeimpft. Die Solemenge wird aufgrund der Ampere-Messung des aufgenommenen Stromes in der Elektrolysezelle geregelt (System Zangen-Amperemeter).
12. Nach der Solezufuhr zum Wasser gelangt beider zur Herstellung einer konstanten Konzentration in einen statischen Mischer
13. Unmittelbar nach dem Mischer wird das Medium zur Herstellung von Anostel^® und Cathostel^® in zwei gleiche Stränge aufgeteilt.
14. Statische Durchflussmengenbegrenzer verhindern, dass die Menge nach oben beliebig verstellt werden kann (max. ca. 45 Liter pro Stunde und Strang bei 4 bar).
15. Nach den Durchflussmengenbegrenzern messen induktive Turbinen den effektiven Durchfluss und melden die Werte an die Elektronik zur Anzeige auf dem Display zur Nachregelung mit dem Nadelventil (Punkt 10) Störungsmeldung bei Toleranzüberschreitung der Menge pro Strang.
16. Im nachfolgenden Herzstück des Systems, der Elektrolysezelle, wird in den zwei Kammern getrennt durch ein spezielles Diaphragma und zwei bestromte Elektroden die saure Lösung Anostel^® und die alkaline Lösung Cathostel^® erzeugt. Die aktiven Flächen des Diaphragmas und der Elektroden sowie die Durchflussgeschwindigkeit sind für optimale Messergebnisse genau ermittelt und spezifiziert worden und können nicht beliebig verändert werden. Auch der Abstand zwischen Diaphragma und Elektroden ist massgebend.
17. Danach fliessen die Komponenten über zwei Magnetventile aus der Anlage im freien Gefälle direkt in zwei getrennte daneben stehende Behälter.
18. Nach einer bestimmten Menge wird die Produktion unterbrochen und die Elektrolysezelle über zwei weitere Magnetventile mit Frischwasser eine gewisse Zeit intervall-gespült. Der Generator kehrt dann automatisch in den Produktionsmodus zurück.
19. Alle allfälligen Störungen werden auf dem Display der Steuerung wörtlich angezeigt; die Produktion wird gestoppt, und es erfolgen ein visueller und ein akustischer Alarm.
20. Die je nach Bedürfnis zu erstellende Rezeptur wird mit einer bei den Behältern installierten Mixpumpe durch Fördern der Lauge in die Säure erstellt.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass unter kontrollierter Beimischung einer leichten Salzlösung der elektrische Leitwert des Wassers erhöht wird. Durch das kontrollierte Bestromen zweier Elektroden wird Wasser in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Positiv geladene Wasserstoff-Ionen werden von der Kathode (Cathostel^®-Elektrode) angezogen.
Kommen die Wasserstoff-Ionen in Berührung mit der Cathostel^®-Elektrode, nehmen sie Elektronen auf und wandeln sich zu mikroskopisch kleinen Wasserstoff-Gasblasen. Die negativ geladenen Ionen enthalten schweflige Säure und werden von der Anode (Anostel^®-Elektrode) angezogen, um dort die Wassermoleküle aufzubrechen, ohne merklich Elektronen zu verlieren. Die daraus entstehende Reaktion bei der Anostel^®-Elektrode ist die Ionisierung von Wasser, bei der sich mikroskopisch kleine Sauerstoff-Gasblasen, leichte Chlorverbindungen sowie weitere ionisierte Verbindungen bilden. Geringfügig frei werdendes Chlorgas wird evakuiert.
Die Elektrodiaphragmalysezelle 1 hat einen Innenraum 10 und mit einer semipermeablen Membrane 11, welche den Innenraum 10 in eine erste Kammer 10', bzw. einen ersten Teilraum 10' und eine zweite Kammer 10'', bzw. einen zweiten Teilraum 10'' teilt. In der ersten Kammer 10' eine Kathode 12 angeordnet und einer in der zweiten Kammer 10'' eine Anode 13 Die beiden Elektroden 12, 13 weisen je einen elektrischen Anschluss 12'; 13' auf. Und jede der beiden Kammern 10', 10'' hat eine Eintrittsöffnung 20, 30 für das leicht salzhaltige und kalkfreie Wasser und eine Austrittsöffnung 14; 14' für die Säure, bzw. die Lauge. Die Kathode 12 und die Anode 13 sind aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder Reintitan gefertigt. Die Anode 13 ist säurebeständig beschichtet.

Claims

Elektrodiaphragmalysezelle (1) mit einem Innenraum (10) und mit einer semipermeablen Membrane (11), die den Innenraum (10) in eine erste Kammer (10') und eine zweite Kammer (10'') teilt, sowie mit einer Kathode (12) in der ersten Kammer (10') und einer Anode (13) in der zweiten Kammer (10'') und mit einem elektrischen Anschluss (12'; 13') an jeder Elektrode (12; 13), wobei die beiden Kammern (10', 10'') je eine Eintrittsöffnung (20, 30) für das leicht salzhaltige und kalkfreie Wasser und eine Austrittsöffnung (14; 14') für die Säure, bzw. die Lauge aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (12) und/oder die Anode (13) aus Metall, vorzugsweise aus Titan oder Reintitan gefertigt sind und die Anode (13) säurebeständig beschichtet ist.
Elektrodiaphragmalysezelle (1) nach Anspruch 1, bei der auch die Kathode (12) eine Beschichtung aufweist. 3 Elektrodiaphragmalysezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Beschichtung aus mehreren Schichten aufgebaut ist.
Elektrodiaphragmalysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Beschichtung der Anode (13) Mischoxyd vorzugsweise Iridium-Mischoxyd enthält, oder aus Mischoxyd, vorzugsweise aus Iridium-Mischoxyd besteht.
Elektrodiaphragmalysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Innenraum (10) quaderförmig ausgebildet ist, und vorzugsweise 45 mm × 170 mm × 25 mm gross ist.
Elektrodiaphragmalysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die beschichtete und aktive Fläche der Anode (13) 25 mm × 150 mm (3750 mm²) gross ist.
Elektrohydraulischer Generator zum Herstellen von Säure und Lauge aus NaCl-Sole und entkalktem Wasser, mit wenigstens einer Elektrodiaphragmalysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Elektrohydraulischer Generator nach Anspruch 7, in dem wenigstens eine Elektrodiaphragmalysezelle (1) mit einer Spannung von 12 V bis 36 V, vorzugsweise mit einer Spannung von 24 V, und mit einem Strom von 10 A bis 18 A, vorzugsweise mit einem Strom im Bereich von 13 A bis 14 A, betrieben wird.
Elektrohydraulischer Generator nach Anspruch 7 oder 8, in dem die gesamte Durchflussmenge durch die Elektrodiaphragmalysezelle (1) 60 bis 100 Liter, vorzugsweise wenigstens angenähert 80 Liter ist.